DE102008045915A1

DE102008045915A1 - Brennkraftmaschine mit Vorkammerzündung

Info

Publication number: DE102008045915A1
Application number: DE102008045915A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Koch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Ottomotor, mit wenigstens einer Brennkammer, welche durch wenigstens eine Überströmöffnung mit einer Vorkammer verbunden ist. In der Vorkammer erfolgt eine Vorzündung durch eine geeignete Zündvorrichtung, so dass über die Überströmöffnung Fackelstrahlen in die Hauptbrennkammer übertreten können und die Zündung in der Hauptbrennkammer verbessern. Um eine hoch zuverlässige Zündung in der Vorkammer zu ermöglichen, wird über einen Luftkanal zusätzliche Luft aus dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine in die Vorkammer gefördert. Damit kann auch bei extremen Magerbetriebsarten der Brennkraftmaschine eine zuverlässige Vorzündung in der Vorkammer gewährleistet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Ottomotor nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Insbesondere beim Betrieb mit extrem mageren Gemischverhältnissen oder sehr hohen Abgasrückführungsraten ist bei fremd gezündeten Motoren die Entflammung und die sehr frühe Phase der Verbrennung kritisch und beeinflusst den gesamten nachfolgenden Hochdruckanteil der Verbrennung. Die Frühphase der Entzündung kann durch eine Vorkammer, welche über wenigstens eine Überströmöffnung mit einer Brennkammer der Brennkraftmaschine verbunden ist, und in welcher eine Vorkammerzündung durch eine Vorkammerzündkerze erfolgt, verbessert werden. Im Gegensatz zur Vorkammereinspritzung bei Dieselmotoren, die aus dem Stand der Technik seit langem bekannt ist, wird bei der Vorkammerzündung bei fremd gezündeten Motoren in der Regel kein Kraftstoff in die Vorkammer eingespritzt. Eine erste Kraftstoffmischung erfolgt vielmehr durch Direkteinspritzung in die Brennkammer, wobei während des Kompressionshubes durch die Überströmöffnungen Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer gelangt, wodurch in der Vorkammer ein besonders homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt. In der Vorkammer erfolgt dann zum Ende des Kompressionshubes des Zylinders in der Hauptbrennkammer eine erste Zündung, welche die Entflammung des Gemisches verbessert. Durch die Vorkammerzündung treten Fackelstrahlen über die Überströmöffnungen in die Brennkammer über und erhöhen dort zusätzlich die Brennraumturbulenz, was die Hauptzündung in der Brennkammer verbessert und zu einem insgesamt verbesserten Abbrennverhalten des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer führt. Durch entsprechende Ausgestaltung und Anordnung der Überströmöffnungen können die Fackelstrahlen mehrere Flammenkerne in verschiedenen Orten im Brennraum erzeugen, was die Hauptverbrennung beschleunigt.
Eine derartige Vorkammerzündung, insbesondere für Gasmotoren, ist in der DE 37 09 976 A1 offenbart. Um die Vorkammerzündung zu verbessern wird in dem offenbarten Verfahren zusätzlich ein fettes Kraftstoff-Luft-Zusatzgemisch oder reiner Zusatzkraftstoff ventilgesteuert in die Zündkammer eingebracht.
Vorrichtungen und Verfahren zur Vorkammerzündung nach dem Stand der Technik haben gemeinsam, dass zwar genügend Kraftstoff in der Vorkammer vorrätig gehalten ist, die notwendige Sauerstoffkonzentration in der Vorkammer jedoch nicht in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Erst die sichere Verfügbarkeit von sowohl Kraftstoff als auch Sauerstoff in der Vorkammer ermöglicht die gewünschte sichere Entflammung und die damit verbundene effizientere Hauptverbrennung in der Brennkammer.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dergestalt weiter zu entwickeln, dass das Entflammungsverhalten des Gemisches in einer Vorkammer einer Brennkammer der Brennkraftmaschine verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Ottomotor, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Unter dem Begriff „Brennkraftmaschine” ist hierbei die Gesamtheit aus Motor und Nebenaggregaten, wie beispielsweise Turboladern, Ladeluftkühlern und dergleichen, zu verstehen. Eine solche Brennkraftmaschine weist wenigstens eine Brennkammer auf, welche durch wenigstens eine Überströmöffnung mit einer Vorkammer verbunden ist. In der Vorkammer ist zudem eine Zündvorrichtung zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches angeordnet.
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Luftkanal zum Einleiten von Luft aus einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine in die Vorkammer vorgesehen. Der Zündprozess in einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine entspricht somit der eingangs beschriebenen Vorkammerzündung. Kraftstoff wird in die Brennkammer eingespritzt, vermischt sich dort mit über ein Einlassventil zugeführter Ladeluft, wobei das entstehende Gemisch während des Kompressionshubes eines in der Brennkammer beweglich gelagerten Zylinders über die Überströmöffnungen in die Vorkammer gefördert wird. Durch die hierbei entstehende zusätzliche Turbulenz wird in der Vorkammer ein besonders gut vermischtes Kraftstoffluftgemisch vorgelegt. Durch die Vorzündung dieses Gemisches entstehen Fackelstrahlen durch die Überströmöffnung, die zum Entstehen mehrerer Zündkerne in der Hauptbrennkammer führen, so dass auch die Hauptzündung besonders günstig und effizient verläuft.
Die erfindungsgemäße Einleitung von Luft durch einen Luftkanal aus einem Ansaugtrakt in die Vorkammer verbessert weiterhin die Zündung im Vorkammerbereich, indem sichergestellt wird, dass jederzeit die notwendige Sauerstoffkonzentration für eine effiziente Vorzündung gewährleistet ist.
Um die eingeleitete Luftmenge in die Vorkammer zu kontrollieren, sind mehrere, alternativ oder auch zusammen einsetzbare Varianten möglich. Zunächst kann in einem weiteren Aspekt der Erfindung der Luftkanal eine Drosseleinrichtung umfassen. Dies ist konstruktiv besonders einfach zu realisieren und damit auch kostengünstig, bedingt jedoch die Gefahr, dass verbranntes Gas von der Vorkammer zurück in den Luftkanal strömt. Im nächsten Zyklus der Brennkraftmaschine würde die Vorkammer dann teilweise mit Restgas gespült werden, was die Zündungseffizienz wieder senkt. Die Zumischung von Frischluft ist bei Verwendung eines Drosselelementes auch nur in sehr eingeschränktem Rahmen regel- oder steuerbar.
Um ein derartiges Rückströmen von verbranntem Gas in den Luftkanal zu vermeiden, kann im Luftkanal ein Rückschlagventil vorhergesehen sein, welches eine Gasströmung lediglich vom Ansaugtrakt zur Vorkammer hin, aber nicht in entgegen gesetzter Richtung ermöglicht. Durch das Rückstellelement des Rückschlagventils kann eine Druckdifferenz eingestellt werden, ab welcher es zu einem Gasstrom in die Vorkammer kommt.
Eine weitere, alternativ oder gemeinsam mit den genannten Möglichkeiten einsetzbare Ausführungsform der Erfindung umfasst ein im Luftkanal angeordnetes Magnetventil. Hierdurch ist ein besonders effizientes Zudosieren von Luft in der Vorkammer möglich, welches von einem üblichen Motorsteuerungsgerät genau kontrolliert werden kann.
Neben der geschilderten Luftspülung, also dem Einleiten zusätzlicher Luft in die Vorkammer, kann die Vorkammer eine zusätzliche Kraftstoffspülung aufweisen. In dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorkammer Mittel zum Einleiten von Kraftstoff oder Kraftstoff-Luft-Gemisch. Das Gemisch der Vorkammer kann so zusätzlich angefettet werden, um eine verbesserte Vorkammerverbrennung zu erreichen. Dies kann insbesondere bei extremem Magerbetrieb der Hauptkammerverbrennung sinnvoll sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Eintrittsbereich des Luftkanals in die Vorkammer ein Umlenkblech zum Umlenken eines Luftstroms vorgesehen. Durch ein gezieltes Umlenken des Luftstroms können zusätzliche Turbulenzen in der Vorkammer erzeugt werden, was zu einer verbesserten Vermischung der Spülluft mit dem bereits in der Vorkammer vorliegenden Gemisch führt. Auch so wird die Verbrennungshomogenität und Effizienz in der Vorkammer verbessert.
Zusätzlich oder alternativ zur Anbringung eines Umlenkbleches kann eine Eintrittsöffnung des Luftkanals in die Vorkammer so angeordnet sein, dass ein in die Vorkammer eintretender Luftstrom radial bezüglich einer Symmetrieachse der Vorkammer ausgerichtet ist. Insbesondere durch eine gezielte Anströmung der Wände der Vorkammer können Wirbel erzeugt werden, welche wiederum die Durchmischung der Spülluft mit dem bereits vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisch verbessern.
Auch für die Anbindung des Luftkanals an den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine sind mehrere alternatives Optionen realisierbar. In einer Ausführungsform der Erfindung ist dabei der Luftkanal mit dem Ansaugtrakt so verbunden, dass die Luft in Strömungsrichtung der angesaugten Luft hinter einem Verdichter der Brennkraftmaschine entnommen wird. Durch die Entnahme im Hochdruckbereich des Ansaugtraktes wird sichergestellt, dass ein hinreichender Druck im Luftkanal vorliegt, um dem bereits verdichteten Gemisch in der Vorkammer während des Kompressionshubes des Zylinders in der Hauptbrennkammer entgegen zu wirken. Dadurch wird also gewährleistet, dass jederzeit genügend Spülluft in die Vorkammer eindringen kann.
Alternativ hierzu ist es möglich, den Luftkanal mit dem Ansaugtrakt in Strömungsrichtung der angesaugten Luft hinter einem Ladeluftkühler der Brennkraftmaschine zu verbinden. Dadurch wird die Dichte der gekühlten in die Vorkammer eingeleiteten Luft erhöht, so dass mehr Sauerstoff in die Vorkammer gelangen kann, was wiederum die Zündzuverlässigkeit vergrößert.
Eine weitere Alternative der Anbindung des Luftkanals besteht in einer Verbindung des Luftkanals hinter einer Abgasrückführungseinrichtung des Ansaugtraktes. Es wird also ein Gemisch von Luft und rückgeführtem Abgas in die Vorkammer eingeleitet. Dies kann gegebenenfalls wünschenswert sein, um eine weitere Feineinstellung des Sauerstoffgehalts in der Vorkammer zu ermöglichen. Von den drei genannten Alternativen ist die Einleitung von Luft nach dem Ladeluftkühler besonders bevorzugt. Diese Variante erzielt den höchsten Sauerstoffgehalt in der Brennkammer.
Die Erfindung betrifft schließlich noch einen Kraftwagen mit einer Brennkraftmaschine mit den bereits genannten Merkmalen.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorkammer für einen Brennraum einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zur Darstellung verschiedener Entnahmepunkte von in die Vorkammer einzuleitender Luft
Die im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorkammer für eine Hauptbrennkammer einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Vorkammerraum 12, welcher durch eine Vorkammerwandung 14 umschlossen ist. Durch Überströmöffnungen 16 steht die Vorkammer 10 mit der eigentlichen Brennkammer der Brennkraftmaschine 30 in Verbindung. Im Vorkammerraum 12 ist eine Vorkammerzündkerze 18 angeordnet. Diese kann verschiedener bekannter Ausführungsformen von Vorkammerzündkerzen entsprechen, es muss sich also nicht um die hier dargestellte Hakenkerze handeln. Eine Kraftstoffeinspritzung erfolgt zunächst in der Hauptbrennkammer der Brennkraftmaschine. Während eines Kompressionshubes vermischt sich der Kraftstoff mit Luft in der Hauptbrennkammer und strömt über die Überströmöffnungen 16 in den Vorbrennkammerraum 12. Zum Zündzeitpunkt wird über die Vorkammerzündkerze 18 ein Zündfunken 20 erzeugt, welcher das sehr homogen durchmischte Kraftstoff-Luft-Gemisch im Vorkammerraum 12 entzündet. Über die Überströmöffnungen 16 schlagen Fackelstrahlen in die Hauptbrennkammer der Brennkraftmaschine 30 und sorgen dort für das Entstehen mehrerer Zündkeime. Die Verbrennung in der Hauptbrennkammer wird dadurch homogener, der Druckanstieg in der Hochdruckphase der Verbrennung ist steiler und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 30 allgemein gesteigert. Um die Zündung in der Vorkammer 10 zu verbessern kann über eine Luftzuführungsleitung 22 zusätzliche Luft in Richtung des Pfeils 24 aus dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 30 in die Vorkammer 10 eingeleitet werden. Damit wird sichergestellt, dass immer genügend Sauerstoff zur Verbrennung in der Vorkammer 10 zur Verfügung steht. Um, beispielsweise bei einem extremen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 30, das Gemisch in der Vorkammer 10 anzufetten, steht eine weitere Zuführungsleitung 26 zur Verfügung, über die in Richtung des Pfeils 28 weiterer Kraftstoff oder auch Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Vorkammerraum 12 geleitet werden kann. So wird auch bei extremem Magerbetrieb eine hohe Zündzuverlässigkeit gewährleistet.
Zur Regelung des Luftstromes durch den Luftkanal 22 kann in diesem eine Drosseleinrichtung und/oder ein Rückschlagventil und/oder ein Magnetventil vorgesehen sein.
Um Luft für den Luftkanal 22 bereitzustellen, ist dieser mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 30 verbunden. 2 zeigt die Luft- und Abgasströme einer solchen Brennkraftmaschine 30, um verschiedene Entnahmepunkte für die durch den Luftkanal 22 der Vorkammer 10 zu zuleitenden Luft zu veranschaulichen.
Die Brennkraftmaschine 30, welche im gezeigten Beispiel als Reihen-Sechszylindermotor ausgeführt ist, saugt über eine Ansaugleitung 32 Luft an. Diese gelangt auf die Verdichterseite 34 eines Abgasturboladers 36. Die verdichtete Luft wird weiter zu einem Ladeluftkühler 38 geleitet, wo sie abgekühlt wird, um so ihre Dichte zu erhöhen. Nach dem Ladeluftkühler ist eine Zuführungsposition 40 für über ein Abgasrückführungssystem 42 rückzuführendes Abgas vorgesehen. An dieser Stelle vermischt sich also das zurückgeführte Abgas mit der abgekühlten Ladeluft, und wird schließlich über den Ansaugkrümmer 44 der Brennkraftmaschine 30 zugeführt.
Verbranntes Abgas wird über den Abgaskrümmer 46 abgeleitet und teilweise über ein Abgasrückführungsventil 48 und einen Abgasrückführungskühler 50 zur Zuführungsposition 40 geleitet und dort mit der abgekühlten Ladeluft vereinigt. Ein weiterer Teil des Abgases strömt aus dem Abgaskrümmer 46 auf die Turbinenseite 52 des Abgasturboladers 36, so dass die Turbine des Abgasturboladers 36 den Verdichter 34 des Abgasturboladers 36 treibt. Nach Durchtritt durch die Turbinenseite 52 des Abgasturboladers 36 erfährt das Abgas schließlich noch eine Abgasnachbehandlung, beispielsweise durch einen Abgaskatalysator 54 oder auch weitere Elemente, bevor es schließlich über einen Auspuff 56 an die Umwelt abgegeben wird.
Der Pfeil 58 zeigt eine erste Entnahmeposition für der Vorkammer 10 zu zuführende Luft an. Diese Position befindet sich dabei hinter der Verdichterseite 34 des Abgasturboladers 36. Das der Vorkammer 10 zugeführte Gas steht also bereits unter hohem Druck, so dass es problemlos in die ebenfalls im Zuge des Kompressionshubes des Kolbens mit einem Druck beaufschlagte Vorkammer 10 einströmen kann.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Luft an der Position 58 noch eine hohe Temperatur und damit geringe Dichte aufweist. Der Pfeil 60 zeigt daher eine alternative Entnahmeposition direkt nach dem Ladeluftkühler 38 an. Die Ladeluft ist an dieser Position ebenfalls noch verdichtet, wird durch den Ladeluftkühler 38 jedoch abgekühlt, so dass ein hoher Druck der Ladeluft mit einer geringen Temperatur verknüpft wird. Durch Entnahme an der Position 60 kann der Vorkammer 10 somit eine höhere Masse an Luft und damit auch eine höhere Masse an Sauerstoff zugeführt werden, was die Zündqualität in der Vorkammer 10 weiter verbessert.
Eine weitere alternative Entnahmeposition für der Vorkammer 10 zu zuführende Luft ist durch den Pfeil 62 angezeigt. Diese Entnahmeposition befindet sich hinter der Vereinigung von Ladeluft mit durch den Abgasrückführungskühler 50 abgekühlten rückgeführten Abgas. Dadurch sinkt zwar der Sauerstoffgehalt der zugeführten Luft, es ist jedoch gegebenenfalls eine weitere Steigerung der Verbrennungseffizienz in der Vorkammer 10 durch Entnahme an der Position 62 möglich.
Neben der beschriebenen Anwendung der Brennkraftmaschine für Kraftwagen ist auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine bzw. Stationärapplikation, bspw. zur Stromerzeugung oder dergleichen, denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3709976 A1 [0003]

Claims

Brennkraftmaschine (30), insbesondere Ottomotor, mit wenigstens einer Brennkammer, welche durch wenigstens eine Überströmöffnung (16) mit einer Vorkammer (10) verbunden ist, wobei in der Vorkammer (10) eine Zündvorrichtung (18) zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftkanal (22) zum Einleiten von Luft aus einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine (30) in die Vorkammer (10) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (22) eine Drosseleinrichtung umfasst.
Brennkraftmaschine (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftkanal (22) ein Rückschlagventil angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftkanal (22) ein Magnetventil angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorkammer (10) Mittel (26) zum Einleiten von Kraftstoff oder Kraftstoff-Luft-Gemisch vorgesehen sind.
Brennkraftmaschine (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich des Luftkanals (22) in die Vorkammer (10) ein Umlenkblech zum Umlenken eines Luftstroms vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsöffnung des Luftkanals (22) in die Vorkammer (10) so angeordnet ist, dass ein in die Vorkammer (10) eintretender Luftstrom radial bezüglich einer Symmetrieachse der Vorkammer (10) ausgerichtet ist.
Brennkraftmaschine (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (22) mit dem Ansaugtrakt in Strömungsrichtung der angesaugten Luft hinter einem Verdichter (34) der Brennkraftmaschine (30) verbunden ist.
Brennkraftmaschine (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (22) mit dem Ansaugtrakt in Strömungsrichtung der angesaugten Luft hinter einem Ladeluftkühler (38) der Brennkraftmaschine (30) verbunden ist.
Brennkraftmaschine (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (22) mit dem Ansaugtrakt in Strömungsrichtung der angesaugten Luft hinter einer Abgasrückführungseinrichtung (40) verbunden ist.
Kraftwagen mit einer Brennkraftmaschine (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.